VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ pH ИНДИКАТОР ИЗ КРАСНОКАЧАНОЙ КАПУСТЫ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В химии для определения pH водных растворов применяют кислотно-щелочные индикаторы. Кислотно-щелочные индикаторы — органические соединения, способные изменять цвет в растворе при изменении кислотности среды.
Индикаторы обычно используют, добавляя несколько капель водного или спиртового раствора к пробе исследуемого раствора. Так, при титровании, в аликвоту исследуемого раствора добавляют индикатор, и наблюдают за изменениями цвета.
Рис. 1
Универсальная индикаторная бумага
Другой способ применения – использование полосок бумаги, пропитанных раствором
индикатора или смеси индикаторов и высушенных (например, лакмусовая бумажка).
Современные индикаторные полоски могут быть изготовлены с красителем - индикатором, привитым к целлюлозе или иному полимеру. Это делает их устойчивыми к вымыванию, вплоть до многократного использования.
Однако, универсальный индикатор можно изготовить и дома из подручных средств. Например, антоцианы и другие растительные пигменты способны менять цвет в зависимости от рН среды (клеточного сока). Антоцианы имеют преимущественно красный цвет в кислой среде и синий в щелочной.
Цель работы: изготовить в лабораторных условиях универсальный индикатор из сока краснокочанной капусты.
Основные задачи:
- изучить литературу по данной теме;
- - в лабораторных условиях выделить универсальный индикатор из листьев красной капусты;
- провести анализ растворов оснований, кислот и солей с помощью полученного раствора;
- можно ли использовать «самодельный» индикатор наравне с остальными видами универсальных индикаторов.
Гипотеза: из листьев краснокочанной капусты можно получить универсальный индикатор, который позволит достаточно точно определять pH растворов оснований, кислот и солей.
Актуальность работы заключается в том, что интерес к растениям в настоящее время возрос в связи с тем, что их шире стали применять в различных областях науки (химия, биология, медицина, экология).
Например: по окраске растений можно определить наличие вредных веществ в атмосферном воздухе и почве, определить кислотность почвы на садовом участке, что определяет урожайность плодов и ягод
Объект исследования: капуста краснокочанная.
Метод исследования: анализ, сравнение, химический эксперимент
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Биологические пигменты— вещества, входящие в состав тканей организмов, которые окрашивают его в определенный цвет. Он (цвет) определяется наличием в молекулах хромофорных групп, избирательно поглощающих свет в определённой части видимого спектра солнечного света.
Роль пигментов в организме. Биологические пигменты играют важную роль в жизнедеятельности живых существ. Они определяют окраску организмов, важную для их приспособления к внешней среде. Окраска отдельных частей растений служит для привлечения насекомых и птиц, распространяющих семена, окраска тела у животных способствует защите от врагов, маскирует их при выслеживании добычи или предупреждает врагов о ядовитости. Также эти пигменты могут осуществлять защиту организма от ультрафиолетового излучения солнца. Многие природные пигменты принимают участие в фотохимических процессах, в частности, хлорофилл, бактериохлорофилл и другие являются фотосинтезирующими ферментами, родопсин животных обеспечивает им зрение. Дыхательные пигменты (гемоглобин, , цитохромы, дыхательные хромогены и др.) участвуют в переносе кислорода к тканям.
Биологические пигменты, как правило, находятся в различных структурах клетки, реже — в свободном состоянии в жидкостях организма. Так, хлорофилл расположен в хлоропластах, каротиноиды — в хромопластах и хлоропластах, гемоглобин, как правило, в эритроцитах, меланин — в меланоцитах.
Виды биологических красителей. В природе существует огромное количество биологических пигментов. Их разделяю строению на несколько классов. Существуют такие виды, как каротиноиды, хиноны, флавоноиды, пигменты на основе порфирина (пример: гемоглобин крови) и другие (например меланин). В моей работе пойдет речь о флавоноидах, а именно об антоцианах.
Доказано, что антоцианы оказывают благоприятное воздействие на весь организм, в том числе и на работу мозга, предотвращая болезнь Альцгеймера.
Антоцианы уменьшают ломкость капилляров и сосудов (предотвращают кровотечения), укрепляют сердечную мышцу. Помогают антоцианы и в борьбе с инфекциями, лечат диабет, сокращают риск возникновения рака пищевода и прямой кишки.
Антоцианы лечат катаракту и предотвращают её развитие, улучшают обмен веществ и замедляют старение организма.
Больше всего антоцианов в ягодах: чернике, клюкве, чёрной смородине, малине, ежевике, вишне и винограде. Источниками антоцианов являются баклажаны, свёкла и все фиолетовые овощи:капуста, лук, кукуруза, картофель и т.д. Содержит антоцианы также красный и пурпурный рис.
Лабораторные исследования показали, что антоцианы красной капусты защищают наши нервные клетки от повреждения, а также препятствуют размножению раковых клеток в кишечнике, красный капустный сок заметно снижает воспалительные процессы
Впервые разделение антоцианов было осуществлено с применением хроматиграфического метода Рихардом Вильштеттером, который и назвал их антоцианами (антос-).
Антоцианы представляют собой растительный глюкозиды, содержащие в качестве агликона (антоцианидина) гидроксипроизводные 2-фенилхромена (ф-ла I).
Углеводная часть молекулы (обычно остаток глюкозы, рамнозы, галактозы, ди- или трисахарида) связана с агликоном в положении 3, реже - 3 и 5. У многих антоцианов некоторые группы ОН метилированы или ацетилированы. Антоцианы-окрашенные кристаллы. Легко растворяются в воде и других полярных растворителях, трудно - в спирте, бензоле. При нагревании с разбавленными кислотами или действии некоторых ферментов отщепляют остаток углевода с образованием пирилиевых солей - пеларгонидина, цианидина и дельфинидина (формулы II-IV соотв.). При щелочном плавлении эти соли образуют флороглюцин (1,3,5-тригидроксибензол) и гидроксибензойную кислоту, а при гидрировании -катехин.
где А-остаток глюкозы.
Цвет и строение антоцианов зависят от рН среды.
Разнообразие цвета плодов и цветов обусловлено тем, что антоцианы находятся в растениях в виде пирилиевых солей (кислая среда), хиноидной формы (нейтральная среда) или в виде К-, Са- и Na-солей. Из лепестков розы выделен пигмент цианинхлорид (3,5-глюкозил-3'-гидрокси-2-флавенол), из петунии, флоксов и нек-рых др. растений - мальвинхлорид (3,5-глюкозил-3',5'-метокси-2-флавенол).
Антоцианы выделяют из растит. сырья хроматографией или экстракцией 1%-ным р-ром НС1 в метаноле. Синтезируют из полигидроксибензальдегидов, например::
где В - остаток тетраацетилглюкозы.[6]
Область применения природных индикаторов в народном хозяйстве и быту
Кроме медицины антоцианы используются и в других областях народного хозяйства. Например, в сельском хозяйстве для оценки химического состава почвы, степени её плодородия, при разведке полезных ископаемых. Добавив в антоциановый раствор горсть земли можно сделать заключение о её кислотности, так как на одной и той же почве в зависимости от её кислотности один вид растений может давать высокий урожай, а другие будут угнетенными. Если взять всем известный картофель - он имеет различную окраску кожуры, глазков, проростков и мякоти: белую, желтую, розовую, красную, синюю, темно – фиолетовую и даже черную. Различие окраски картофеля зависит от содержания в нем пигментов: белая - от бесцветных лейкоантоцианов или катехинов, желтая- от флавонов флавонидов, красная и фиолетовая – от антоцианов. Окрашенные клубни, как правило, богаче необходимыми для нашего организма веществами. Так, например клубни с желтой мякотью имеют повышенное содержание жира, каротиноидов, рибофлавина и комплекса флавонидов. За счет способности антоцианов менять свою окраску можно наблюдать изменение цвета клубней картофеля в зависимости от применения минеральных удобрений и ядохимикатов. При внесении фосфорных удобрений картофель становится белым, сульфат калия придает розовый цвет. Окраска клубней меняется под влиянием ядохимикатов, содержащих медь, железо, серу, фосфор и другие элементы.
Такими свойствами обладают и другие растения, содержащие природные индикаторы, что позволяет оценить экологическую обстановку. При экологическом мониторинге загрязнений, использование растений содержащих природные индикаторы часто дает более ценную информацию, чем оценка загрязнений приборами. К тому же такой способ мониторинга состояния окружающей среды проще и экономичнее.
Так же антоцианы используются в косметике, так как обладают стабилизирующим эффектом и являются коллагенами и в пищевой промышленности в виде добавки Е163 в качестве природных красителей.
Они применяются в производстве кондитерских изделий, напитков, йогуртов и других пищевых продуктов.
Растительные индикаторы можно использовать в быту для определения среды растворов различных средств бытовой химии и косметических средств, а так же удаления пятен растительного происхождения. На уроках биологии мы узнали, что внешняя поверхность эпидермиса покрыта микроскопическим тонким слоем – кислотной мантией. В эпидермисе протекает множество биохимических процессов. В результате образуются кислоты – молочная, лимонная и т.д. плюс к этому: кожное сало и пот. Все это – кислотная мантия кожи. Следовательно, нормальная кожа имеет кислую реакцию, рН кожи составляет в среднем 5,5.При использовании моющих средств для посуды, имеющих щелочную среду, мы нарушаем нормальную кислотную среду кожи рук. Для предохранения кожи рук от негативного воздействия моющего средства для посуды должны иметь значение рН, соответствующее значению рН кислотной мантии эпидермиса. Поэтому в следующм исследованиис помощью приготовленных индикаторов я планирую проверилить, какую среду имеют различные моющие средства.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Оборудование: химические стаканы, воронка, фильтровальная бумага, штативы, стеклянные палочки, колбы, капельницы.
Так как все необходимые реакции будут связаны со свойствами антоцианов изменять цвет раствора под воздействием pH раствора, то и реакции будут проведены с растворами основания, кислоты и соли.
Список реактивов:
1. Полученный раствор антоцианов из краснокочанной капусты
2.Раствор соды пищевой
3. Раствор аммиака
4.Раствор едкого натра (NaOH) 1%
5.Угольная кислота
6.Раствор уксусной кислоты 0,1%
7.Раствор серной кислоты 1%
Рис. 2 Реактивы
1. Приготовление индикатора.
Чтобы приготовить индикатор, необходимо купить краснокочанную капусту. Для опыта нам хватит около половины плода. Далее, нарежем капусту на маленькие кусочки: их размер важен, так как от этого напрямую зависит концентрация раствора будущего индикатора.
Далее, заливаем измельченную часть плода кипятком и ждем 15 — 20 минут для того, чтобы большая часть водорастворимых веществ экстрагировалась в раствор. По истечению времени, отфильтровываем раствор от осадка. Чтобы показать действие антоцианов, необходимо разбавить в несколько раз концентрированный раствор водой.
Рис. 3, 4 Приготовление экстракта из сока краснокачанной капусты
После чего полученный раствор разливаем в семь емкостей одинакового объема.
2. Исследование окраски полученных растительных индикаторов в кислой и щелочной среде
Как уже было сказано, для исследования я взял .0,1 % растворы соляной, уксусной и угольной кислот, а так же растворы гидрокарбоната натрия, аммиака и 1% раствор щелочи – гидроксида натрия.
В роли исследуемого вещества выступает раствор антоцианов. Одна из пробирок будет оставлена без изменений — как показатель нейтральной среды, pH которой приблизительно равен 7.
В следующие пробирки поочередно добавляем растворы кислот: цвет сразу же меняется с индиго синего на розовый, который соответствует угольной к-те, ярко розовый, соответствующий уксусу, и красный, соответствующей серной к-те.
При этом уровень pH соответственно примерно равен 4, 2-3 и 1.
Рис. 5 Исследование рН растворов кислот
В оставшиеся пробирки добавим по очереди влево от нейтрального раствора соду, аммиак и щелочь. При этом раствор, к которому прилили соду, становится бирюзовым (pH=8-9), с аммиаком — насыщенно зеленым (pH=12-13), а с щелочью сначала ярко-зеленый, а затем ярко-желтым (pH=14).
Рис. 6,7 Исследование рН растворов с щелочной средой
Рис. 8 Полученный результат
Выводы
По результатам исследования были доказаны индикаторные свойства исследуемого объекта. Выявлена следующая закономерность – природный индикатор в кислотной среде окрашивается в красный цвет, а в щелочной среде – в зелено – желтый. Данное исследование показало, что в природе существуют такие растительные объекты, которые меняют свою окраску в зависимости от кислотности среды.
Исходя из теоретической и практической части, можно сделать вывод, что биологический пигмент можно выделить из любого имеющего яркую окраску фрукта, растения, овоща или корнеплода. Можно, например, использовать сок моркови или граната. Также можно использовать природные индикаторы для исследования pHсреды в лабораторных условиях.
Список литературы:
Ветчинский К.М. Растительный индикатор. М.:Просвещение, 2002. – 256с.
Вронский В.А. Растительный индикатор. – СПб.: Паритет, 2002. – 253с.
Галин Г.А. Растения помогают геологам. – М.: Наука, 1989. – 99с.
Зацер Л.М. К вопросу об использовании растений – индикаторов в химии. –М.: Наука, 2000. – 253с.
Леенсон И.А. занимательная химия: 8-11 классы. – М.: Просвещение,2001. – 102с.
Гауптман З., Грефе Ю., Ремане Х. Органическая химия. Пер. с нем./ под .ред .проф. Потапова В.М. - М., Химия,1979. - 832 с..
http://festival.Isentember.ru/articles/527634/
http://www.ximik.ru/encyklopedia/2/4738.html